碾压混凝土路面基层连续压实控制技术研究

文／熊高胜 中交一公局厦门工程有限公司 福建厦门 361006

引言：

碾压混凝土是含水量、含泥量明显低于普通混凝土的一类混凝土产品。在建筑工程中碾压混凝土因其具备环保、高效、省本、优良耐磨性等优势，而拥有广阔应用范围。为了进一步突显碾压混凝土在压实作业中的实践价值，应根据碾压混凝土相关参数同压实度的关联性，逐步实现智能化压实控制目标，借此优化压实控制成效，为碾压混凝土路面基层建设质量的改造给予保障。

1、传统压实度检测方法主要问题分析

1.1 对比分析碾压混凝土基层传统压实度检测方法和压实缺陷类型

本次研究中具体以全长15.44km，厚度为25cm的碾压混凝土路面基层，用量为6.2015万m2的海翔大道提升改造工程为研究对象。在实际分析中可发现传统意义上使用的压实度检测方法，虽然也能适当给出一定的压实度参考标准，但整体上具有突出问题。传统压实度检测方法以灌砂法、核子密度仪法为主。前者是针对碾压混凝土路面基层的待测部位进行挖坑作业，而后灌入砂土，对砂土密实度予以测量，从而获得具体的压实度测量结果。后者是指利用核子密度仪释放的γ射线中馈结果，依据线损换算方式检测路基面层材料的具体密度值，从而在两种传统检测方法下知晓路面基层材料压实度。在具体比对中，由于两种方法易受外界因素影响，而产生高误差情况，且对于待测部位的选取具备随机性，致使传统事后检测方法，很容易引起欠压、超压后果，致使路面基层压实作业施工质量不达标，亦或是在超压下，造成路面基层表面产生翻松、内部材料组织破碎状况。在本次研究中针对传统压实度检测方法实施现场调研，能够从中掌握现有碾压混凝土路面基层具体压实缺陷类型，即压实度不足、平整度差等，自此降低工程建设质量，甚至容易对后期道路安全使用埋下隐患。

1.2 分析碾压混凝土基层压实缺陷成因机理

碾压混凝土本身具备一定的应用优势，但考虑到路面基层压实度与材料以及碾压工艺均有密切关联。故此针对调查结果进行汇总后可知：引起压实度不足、平整度差等压实缺陷的原因，多与机械设备选型不当、工程检测不精准、工程管理不到位有关。为了切实保障本工程压实施工质量，需在碾压混凝土压实作业环节，充分围绕压实缺陷成因做出相应的改进计划，从而指引压实施工人员，能够充分借助压路机设备、连续压实控制技术、振动传感器等智能管理手段，优化压实施工效果。基于此，在海翔大道提升改造工程中，施工人员需要重新转变固有压实度检测思路，依靠全新的智能工具、先进的信息技术，增加碾压混凝土路面基层压实度检测新颖性，满足新时代压实度检测控制需求。

2、基于振动传感器的碾压混凝土基层压实度检测原理与模型研究

2.1 分析振动传感器加速度、单位压实功检测碾压混凝土基层压实度原理

由于传统压实度检测方法多有不足之处，且属于事后控制方法，故此在该工程压实度检测过程中，可以使用全新的检测方法，以振动传感器为核心达成实时监测目的，借此保证在压路机作业期间，随时根据传感器中馈的结果，提前掌握压实度变化情况，之所通过调整压实频率、压路机振动幅度及其相关参数，逐步达成压实度设定标准。此种检测方法是利用振动传感器设备，联合振动压路机建立压实度动态模型。基于智能压实理论与连续压实控制技术，于振动压路机上携带振动传感器，可从实时控制角度创新压实度检测方法。通常情况下，在本工程中借助振动传感器振动变化数值的记录，如实获取响应信号，并依据关系模型，从压实度监测、评估乃至中馈环节，实现一体化管理，这样才能促使此工程能够在智能化压实度管控条件下，提升压实作业施工质量。

实际上，之所以该工程中使用的此种连续压实控制技术具备可行性，是因为在压路机振动时，能量可以实现实时传递，并且在力学平衡理论指引下，实现动能、电能的合理转换。若观测到振动传感器的电子信号变化趋势，可从中推断出动能变化规律。而后判断按照当前的振动幅度是否符合压实度控制要求。另外，在振动传感器辅助下实时检测压实度时，还可以利用单位压实功与碾压混凝土刚度、压实度、阻尼等参数的关联情况建模，并依据数学表达式确定各指标关系。其中在计算压路机振动合力（P）时，可参照下列公式，分析振动传感器与振动压路的关联性，即：P= W + Fsinwt，式中F、W分别指代的是振动传感器的激振力与径向荷载力。而后在阻尼作用指引下求取在碾压一次后的单位压实功（E）。

单位压实功与压路机振幅关系如下所示：

2.2 振动加速度传感器选型研究

在深度掌握连续压实控制技术原理后，还需要从市面上优选振动传感器。本次研究以MS8000系列产品为例。其中MS8002.D、MS8010.D、MS8030.D三款类型的振动传感器，它们的量程各自为±2g、±10g、±30g，而偏差标定在＜10mg、＜50mg、＜150mg范围内。偏差温度系数在0.1mg/℃、0.5mg/℃、1.5mg/℃。它们的共振频率各自为1.4kHz、3.7kHz、6.3kHz。工作温度范围基本上都在-55℃至125℃以内。面对参数各异的振动加速度传感器，相关人员需结合本工程具体工况予以确定，从而保证在振动传感器辅助下，准确记录路面基层压实度变化范围，增加压实度检测实时性。

2.3 开展试验路试验，处理与分析振动传感器的加速度、单位压实功实测数据，研究安装数量、方法对数据的影响

在利用上述振动传感器检测海翔大道工程中基层路面压实度时，能够从检测结果的对比分析中判定最适合本项目的传感器类型。首先，相关人员需划分为海翔大道待测路段，而后选用不同数量的MS8000系列产品，将其装设在压路机上，其中可以设定好不同的安装位置，借此得出最佳安装位置，增加测量数据精准度。如假设A部位是在振动轮上，B部位在压路机机架轴承处，之后经过同部位不同类型振动传感器以及不同部位、同类型振动传感器记录检测数据。

由此发现：A部位处进行安装，在碾压次数为1次时，它们的碾压作业的时间间隔明显MS8002.D振动传感器更短，并且A、B两组数据比对，振动轮上的密实度测量数据误差更小。同时，还需以离散性检验分析法提取数据，从单位压实功等参数变化情况进行比对。其中单位压实功以及加速度偏高的传感器适应性更强[1]。

2.4 建立振动传感器加速度、单位压实功与碾压混凝土基层压实度之间的关系模型

在使用携带振动传感器的振动压路机时，可以从单位压实功以及振动加速度与压实次数的关联性上进行综合分析，并且从本工程待测路段中开展传统压实度检测方法与新型检测方法的对比实验。其中能够借助最大密度测定结果，准确计算压实度。较为明显的是传统压实度检测方法中灌砂法压实度低于核子密度仪法数值，且此两种方法的压实度均低于基于传感器设计的连续压实控制技术检测方法。从上述研究成果中推断出：本工程中路面基层压实度随着单位压实功增加而出现上升情况。而加速度的变化可参照（CV：压实质量实时监测值，a常数，A1、A2：振动谐波幅值）。在路面基层压实度越大时，加速度随之升高，CV值也有所增加。在建模后可从模型指标变化规律上评估路面基层压实度[2]。

3、研究材料参数和碾压参数对碾压混凝土基层压实理论模型的影响

3.1 研究碾压混凝土VC值、含水率、级配等材料参数对碾压混凝土基层压实度理论模型的影响

依据本次研究中建立的路面基层压实理论模型，能够从中判断碾压混凝土VC值等相关参数的关系。其中在配制碾压混凝土时，如若适当增加含水量，则碾压混凝土VC值随之减小。由于多用拌合水时，会造成胶凝材料用量有所增加，致使VC值减小。要想合理控制碾压混凝土VC值，就可以通过配合比以及含砂率指标上进行科学调整。其中应注意的是配合比本身可调性较差，此时施工人员在配制碾压混凝土时，需要从水胶比上加以重调，从而在水胶比得以增加时，VC值会有所降低，最终对压实度以及路面基层强度带来一定影响。至于含砂率，如若在配制碾压混凝土阶段，含砂率偏小，此时需要粗骨料填补空隙，造成VC值随着内摩擦力增加而呈现正相关关系。鉴于此，在模型中碾压混凝土VC值的影响程度较大，需要从多个渠道控制VC值，最终有效提升碾压混凝土路面基层强度。

3.2 研究振动压路机振动频率、振幅、速度等碾压参数对碾压混凝土基层压实度理论模型的影响

对于压路机振幅以及行驶速度、振动频率参数的影响程度。可根据加速度与振幅的积分关联，推断出在离散分析法下，加速度的变化情况。通常压路机振幅增加时，路面基层的压实度也会有所增加，并控制在标准范围内，抑制材料破碎风险。结合相关学者研究成果，在振动频率增加时，压路机振动轮产生的振动力更强，且在强振与弱振对比下，前者加速度略高。随着激振力的增加，加速度会产生显著的波动情况。相关人员需要从中微调碾压参数，获取对应的碾压密实度[3-4]。

4、碾压混凝土路面基层压实度控制算法与软件研发

4.1 构建基于加速度、单位压实功的碾压混凝土路面基层压实度预测算法

基于振动传感器设计适用于碾压混凝土路面基层压实检测环境的软件系统，可以利用神经网络预测算法以及回归分析算法，分析压实度与压路机加速度与单位压实功的具体关系。在软件开发中可以通过采集碾压次数、行驶速度等数据，完善压实作业施工方案。例如在软件系统助力下，可以从施工单元的网格化管理下，对本项目中的待测路段进行分析。其中在软件分析出压路机通过网格单元后，则将碾压次数计取一次，从而在软件界面上直接显示碾压次数。至于压路机行进速度信息的获取，可联合GPS定位技术确定碾压坐标，并且以时间点内均速值作为压路机行驶速度参照标准。

4.2 构建面向多种材料组成、碾压参数的压实度模型数据库

在以建模方法控制压路机连续压实度时，还可以依靠SQL 服务数据库，对沥青混凝土、普通混凝土、碾压混凝土等多材料混凝土路面基层的工程项目进行分类对比，而后结合模型展示结果，确定碾压参数与混凝土材料的关联性，确保此种软件系统在其它材料的工程项目中同样适用。其中若压路机属于静碾状态，此时不产生激振力，则根据上述单位压实功计算公式，激振力增加，单位压实功也会增加。此时还可以从碾压次数与单位压实功的相关性上，以累加法计取碾压次数，增加软件系统应用便捷性，出具的参数指标可靠性更强[5]。

4.3 基于软件需求分析，开展软件总体设计、界面设计、框图设计

在利用振动传感器测量路面基层压实度期间，可通过设计实时监控软件系统，汇总多项检测指标，而后确定当前压实度与预期压实度的差距，并通过调整碾压参数，达到预期碾压施工成效。首先，软件研发人员可以从功能模块设计上，增强系统可行性。一方面，需要了解业主以及驾驶员对此系统运行的功能需求，而后联合软件客户需求研发软件功能模块。另一方面，需在确定功能需求后，进入总体设计以及编程设计环节，经过对软件界面的完善设计，确保此软件具备应用价值。其一，要求软件成功研发后能够伴随着振幅以及振动频率、压路机行驶速度等变量的变化情况，做到实时监控记录；其二，要求软件具备采样分析以及自动化运行功能。在软件设计上，可以划分为两大界面板块，即动态采集与参数设计两个部分，从而确保在系统运行时，能够直观的从界面中馈结果上知晓压路机操作下路面基层的压实度，同压实施工方案上的路面基层强度设计要求予以比对，不达标则继续碾压，并且调整好相关参数。其流程图见（图1）。在系统运行后，可以从振动传感器的助力下，在平板电脑界面上显示压实度，从而提前了解路面基层压实效果，以连续压实控制技术优化压实作业效果。同时，还需依据具体功能设置按钮，便于增强人机交互体验感。

图1 压实度实时监控软件系统操作流程图

5、工程应用研究与验证

在海翔大道工程中应用连续压实控制技术时，还可以从实际应用结果上加以验证：

（1）硬件安装，相关人员需要先行在压路机的振动轮上安装好振动传感器，并且连接好平板电脑等硬件设施，以此为软件系统的运行给予保障。

（2）参数设置，待硬件设施完成安装后，需调整好软硬件参数，如压路机的振幅、振动频率以及碾压次数、软件采样周期等，而后进入测试环节，分析此工程路面基层压实度检测结果是否达标。

（3）数据分析与处理，在汇总软件系统采集数据后，可进一步对其合理性加以分析。同时，还可以采用SPSS 21.0软件处理数据，分析现场实测值与系统中馈结果的差异度。

（4）可靠性与有效性检验，经过比对后，若差异度较小，则代表此系统具备较高的准确度以及可靠性，可将其应用在连续压实控制施工环节，确保应用此系统后，海翔大道工程质量得以改善，路面基层压实度达标的前提下，还可以维护路面安全。中之若差异度明显，则需要进一步优化系统，保证系统后续运行具备稳定性，满足待测路段压实度检测条件。

结论：

综上所述，在海翔大道提升改造工程中，借助连续压实控制技术，对其压实作业进度进行实时监测，能够产生事前防控效果，避免在传统压实技术参与下，影响工期，或者破坏压实路面基层的质量。据此，应从软硬件设计、压实度模型数据库、压实理论模型等方面展开研究，继而增加对碾压混凝土路面基层连续压实控制技术的研究力度，为当前压实施工项目指明创新方向。